预防焊接残余变形的 设计和工艺措施

基础知识

焊接残余变形的分类及影响因素

焊接残余变形在焊接结构中的分布是很复杂的。按变形对整个焊接结构的影响程度可将焊接变形分为局部变形和整体变形；按照变形的外观形态来分，可将焊接变形分为五种基本形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。这些基本变形形式的不同组合，形成了实际生产中焊件的变形。下面将分别讨论各种变形的形成规律和影响因素。

1．收缩变形

焊件尺寸比焊前缩短的现象称为收缩变形。它分为纵向收缩变形和横向收缩变形，如图6-3所示。

图6-3  纵向和横向收缩变形

（1）纵向收缩变形 纵向收缩变形即沿焊缝轴线方向尺寸的缩短。这是由于焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生纵向的压缩塑性变形，焊后这个区域要收缩，便引起了焊件的纵向收缩变形。

纵向收缩变形量取决于焊缝长度、焊件的截面积、材料的弹性模量、压缩塑性变形区的面积以及压缩塑性变形率等。焊件的截面积越大，焊件的纵向收缩量越小。焊缝的长度越长，纵向收缩量越大。从这个角度考虑，在受力不大的焊接结构内，采用间断焊缝代替连续焊缝，是减小焊件纵向收缩变形的有效措施。

（2）横向收缩变形 横向收缩变形是指沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短。构件焊接时，不仅产生纵向收缩变形，同时也产生横向收缩变形。产生横向收缩变形的过程比较复杂，影响因素很多，如线能量、接头形式、装配间隙、板厚、焊接方法以及焊件的刚性等，其中以线能量、装配间隙、接头形式等影响最为明显。不管何种接头形式，其横向收缩变形量总是随焊接热输入的增大而增加。

2.角变形

中厚板对接焊、堆焊、搭接焊及T形接头焊接时，都可能产生角变形，角变形产生的根本原因是由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致。焊缝接头形式不同，其角变形的特点也不同。几种焊接接头的角变形如图6-4所示。

图6-4  几种接头的角变形

3.弯曲变形

焊接梁或柱时容易产生弯曲变形，主要是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称，焊缝的收缩沿构件宽度方向分布不均匀而引起的。弯曲变形分为两种：焊缝纵向收缩引起的弯曲变形和焊缝横向收缩引起的弯曲变形。

（1）纵向收缩引起的弯曲变形 图6-5所示为不对称布置焊缝的纵向收缩所引起的弯曲变形。弯曲变形（挠度ƒ）的大小与焊缝在结构中的偏心距s及假想偏心力Fp成正比，与焊件的刚度EI成反比。而假想偏心力又与压缩塑性变形区有关，凡影响压缩塑性变形区的因素均影响偏心力Fp的大小。偏心距s越大，弯曲变形越严重。焊缝位置对称或接近于截面中性轴，则弯曲变形就比较小。

（2）横向收缩引起的弯曲变形 焊缝的横向收缩在结构上分布不对称时，也会引起构件的弯曲变形。如工字梁上布置若干短筋板，由于筋板与腹板及筋板与上翼板的角焊缝均分布于结构中性轴的上部，它们的横向收缩将引起工字梁的下挠变形，如图6-6所示。

图6-5  焊缝的纵向收缩引起的弯曲变形

图6-6  焊缝横向收缩引起的弯曲变形

4.波浪变形

波浪变形常发生于板厚小于6 mm的薄板焊接过程中，又称之为失稳变形。大面积平板拼接，如船体甲板、大型油罐罐底板等，极易产生波浪变形。产生原因，一是由于焊缝的纵向缩短对薄板边缘造成的压应力；二是由于焊缝横向缩短所造成的角变形。采用大量筋板的结构，每块筋板的角焊缝引起的角变形，连贯起来就造成波浪变形，如图6-7所示。

图6-7  焊接角变形引起的波浪变形

5.扭曲变形

装配质量不好、工件搁置不当以及焊接顺序和焊接方向不合理，都可能引起扭曲变形。但归根结底是由于焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀。如图6-8所示中的工字梁，若按图6-8 (b)所示顺序和方向焊接，则会产生图示的扭曲变形，这主要是角变形沿焊缝长度逐渐增大的结果。如果改变焊接顺序和方向，使两条相邻的焊缝同时向同一方向焊接，就会克服这种扭曲变形。

图6-8  工字梁的扭曲变形

任务实施

一、预防焊接变形的措施

构件焊后一般都要产生变形，变形量小的可以通过矫正达到使用要求，但变形量大可能导致焊件报废，因此，从焊接结构的设计开始，就应考虑控制变形可能采取的措施。进入生产阶段，可采用焊接预防变形的措施，以及在焊接过程中的工艺措施

1.设计措施

（1）选择合理的焊缝形状和尺寸 主要做到以下两点：

①选择最小的焊缝尺寸。在保证结构有足够承载能力的前提下，应采用尽量小的焊缝尺寸，尤其是角焊缝尺寸，最容易盲目加大。焊接结构中有些仅起连接作用或受力不大，并经强度计算尺寸甚小的角焊缝，应按板厚选取工艺上可能的最小尺寸。

对受力较大的T字或十字接头，在保证强度相同条件下，采用开坡口的焊缝比不开坡口而用一般角焊缝可减少焊缝金属，对减小角变形有利，如图6-9所示。

②选择合理的坡口形式。相同厚度的平板对接，开单面V形坡口的角变形大于双面V形坡口。因此，具有翻身条件的结构，宜选用两面对称的坡口形式。T形接头立板端开半边U形（J形）坡口比开半边V形坡口角变形小，如图6-10所示。

图6-9  相同承载能力的十字接头

图6-10  T字接头的坡口

（2）减少焊缝的数量 只要允许，多采用型材、冲压件；焊缝多且密集处，可以采用铸—焊联合结构，就可以减少焊缝数量。此外，适当增加壁板厚度，以减少筋板数量，或者采用压型结构代替筋板结构，都对防止薄板结构的变形有利。

（3）合理安排焊缝位置 梁、柱等焊接构件、常因焊缝偏心配置而产生弯曲变形。合理的设计应尽量把焊缝安排在结构截面的中性轴上或靠近中性轴，力求使中性轴两侧的变形大小相等方向相反，起到相互抵消作用。如图6-11所示的箱形结构，图中 (a)焊缝集中于中性轴一侧，弯曲变形大，图中 (b)、(c)的焊缝安排合理。图6-12 (a)的筋板设计、使焊缝集中在截面的中性轴下方，筋板焊缝的横向收缩集中在下方，将引起上拱的弯曲变形。改成图6-12 (b)所示的设计，就能减小和防止这种变形。

图6-11  箱形结构的焊缝安排

图6-12  合理安排焊缝位置防止变形

2.工艺措施

（1）留余量法 此法即是在下料时，将零件的长度或宽度尺寸比设计尺寸适当加大，以补偿焊件的收缩。余量的多少可根据公式并结合生产经验来确定。留余量法主要是用于防止焊件的收缩变形。

（2）反变形法 此法就是根据焊件的变形规律，焊前预先将焊件向着与焊接变形的相反方向进行人为的变形（反变形量与焊接变形量相等），使之达到抵消焊接变形的目的。

①无外力作用下的反变形。平板对接焊产生角变形时，可按图6-13 (a)所示方法；电渣焊产生的终端横向变形大于始端问题，可以在安装定位时，使对缝的间隙下小上大，如图6-13 (b)所示。

②有外力作用下的反变形。利用焊接胎具或夹具使焊件处在反向变形的条件下施焊，焊后松开胎夹具，焊件回弹后其形状和尺寸恰好达到技术要求。

图6-13  无外力作用下的反变形法

图6-14中 (a)、(b)、(c)、(d)所示的空心构件，均因焊缝集中于上侧，焊后将产生弯曲变形。采用如图6-14 (e)所示的转胎，使两根相同截面的构件“背靠背”地，两端夹紧中间垫高，于是每根构件均处在反向弯曲情况下施焊。该转胎使施焊方便，而且还提高生产效率。

反变形法主要用于控制角变形和弯曲变形。

图6-14  弹性支撑法

③刚性固定法。利用外加刚度约束来减少焊件焊后变形的方法称为刚度固定法，其实质是通过刚度约束来增加结构的整体刚度从而减少焊接变形，因为刚度大的焊件焊后变形较小。图6-15、图6-16、图6-17所示为几种不同焊接结构采用刚度固定法减少焊接变形的实例。

图6-15  薄板拼接时的刚性固定

④合理地选择焊接方法和焊接工艺参数。方法的线能量不相同，因而产生的变形也不一样。能量集中和热输入较低的焊接方法，可有效地降低焊接变形。用CO2气体保护弧焊焊接中厚钢板的变形比用气焊和焊条电弧焊小得多，更薄的板可以采用脉冲钨极氩弧焊、激光焊等方法焊接。电子束焊的焊缝很窄，变形极小，一般经精加工的工件，焊后仍具有较高的精度。

图6-16  对接拼板时的刚性固定

图6-17  防护罩焊接时的临时支撑

⑤热平衡法。某些焊缝不对称布置的结构，焊后往往会产生弯曲变形。如果在与焊缝对称的位置上采用气体火焰与焊接同步加热，只要加热的工艺参数选择适当，就可以减小或防止构件的弯曲变形。如图6-18所示，采用热平衡法对边梁箱形结构的焊接变形进行控制。

⑥散热法。散热法又称强迫冷却法，就是利用各种办法将焊接处的热量迅速散走，使焊缝附近的金属受热面大大减小，同时还使受热区的受热程度大大降低，达到减小焊接变形的目的。

图6-18  采用热平衡法防止焊接变形

二、控制矫正焊接残余变形的方法

在焊接结构生产中，免不了要出现焊接变形，因此焊后对残余变形的矫正是必不可少的一种工艺措施。常用的矫正焊接变形的方法有：

1.手工矫正法

手工矫正法就是利用手锤、大锤等工具锤击焊件的变形处。主要用于一些小型简单焊件的弯曲变形和薄板的波浪变形。

2.机械矫正法

图6-19  机械矫正法矫正梁的弯曲变形

机械矫正法就是利用机器或工具来矫正焊接变形，如图6-19所示。具体地说，就是用千斤顶、拉紧器、压力机等将焊件顶直或压平。机械矫正法一般适用于塑性比较好的材料及形状简单的焊件。

3.火焰加热矫正

火焰加热矫正就是利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形去抵消焊接变形。火焰加热矫正法在生产中应用广泛，主要用于矫正弯曲变形、角变形、波浪变形等，也可用于矫正扭曲变形。

火焰加热的方式有点状加热、线状加热和三角形加热。

（1）点状加热 如图6-20所示，加热点的数目应根据焊件的结构形状和变形情况而定。厚板加热点直径d要大些、薄板的要小些，一般不小于15 mm。变形量越大，加热点之间距离a应小一些，一般在50～100 mm；变形量小时，加热点之间距离应大一些。

图6-20  点状加热

（2）线状加热 火焰沿直线缓慢移动，或者同时在宽度方向作横向摆动，形成带状加热的加热方式，称为线状加热。线状加热有直通加热、链状加热和带状加热三种形式，如图6-21所示。加热线的横向收缩一般大于纵向收缩。因此，应尽可能发挥加热线横向收缩的作用。横向收缩随着加热线的宽度增加而增加，加热宽度一般为钢板厚度的0.5～2倍左右。线状加热可用于矫正波浪变形、角变形和弯曲变形等。

图6-21  线状加热

（3）三角形加热 三角形加热即加热区域呈三角形，一般用于矫正刚度、厚度较大结构的弯曲变形。加热时，三角形的底边应在被矫正结构的拱边上，顶端朝向焊件的弯曲方向，如图6-22所示。三角形加热与线状加热联合使用，对矫正大而厚焊件的焊接变形，效果更佳。

图6-22  工字梁弯曲变形的火焰矫正

拓展提高

装配焊接顺序对焊接变形的影响

采用合理的装配焊接顺序来减小变形具有重大意义。同样一个焊接构件采用不同的装配顺序，焊后产生的变形不一样。为了控制和减小焊接变形，装配焊接顺序应按以下原则进行：

（1）大型而复杂的焊接结构，只要条件允许，把它分成若干个结构简单的部件，单独进行焊接，然后再总装成整体。

（2）正在施焊的焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴。

（3）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧。

（4）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称地施焊。如图6-23所示的圆筒体对接焊缝，应由两名焊工对称地施焊。

（5）长焊缝（1 m以上）焊接时，可采用图6-24所示的方向和顺序进行焊接，来减小其焊后的收缩变形。

图6-23  圆筒体对接焊

图6-24  长焊缝的几种焊接顺序